Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad Northwestern y la Universidad Stony Brook ha creado, por primera vez, una lámina bidimensional de boro, un material conocido como borofeno.
Los científicos se han interesado en los materiales bidimensionales por sus características únicas, particularmente en lo que respecta a sus propiedades electrónicas. El borofeno es un material inusual porque muestra muchas propiedades metálicas a nanoescala a pesar de que el boro tridimensional o a granel no es metálico ni semiconductor.
Debido a que el borofeno es metálico y atómicamente delgado, es prometedor para posibles aplicaciones que van desde la electrónica hasta la fotovoltaica, dijo el nanocientífico de Argonne Nathan Guisinger, quien dirigió el experimento. "Ninguna forma masiva de boro elemental tiene este comportamiento similar al metal".dijo.
El estudio será publicado el 18 de diciembre por la revista ciencia .
Al igual que el carbono vecino de la tabla periódica, que aparece en la naturaleza en formas que van desde el grafito humilde hasta el diamante precioso, el boro usa varias caras diferentes, llamadas alótropos. Pero ahí es donde terminan las similitudes. Mientras que el grafito está compuesto de pilas de dos-hojas dimensionales que se pueden despegar de una en una, no existe un proceso análogo para hacer boro bidimensional.
"Los borofenos son extremadamente intrigantes porque son bastante diferentes de los materiales bidimensionales previamente estudiados", dijo Guisinger. "Y debido a que no aparecen en la naturaleza, el desafío consistió en diseñar un experimento para producirlos sintéticamente en nuestro laboratorio".
Aunque se conocen al menos 16 alótropos a granel de boro, los científicos nunca antes habían podido hacer una hoja entera, o monocapa, de borofeno ". Solo en el pasado reciente los investigadores han podido hacer pequeños trozos de boro enla nanoescala ", dijo Andrew Mannix, un estudiante graduado del noroeste y primer autor del estudio." Este es un material completamente nuevo con propiedades interesantes que recién estamos comenzando a investigar ".
"El boro tiene una historia rica e histórica y una química muy complicada", agregó Mark Hersam, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick de Northwestern, quien ayudó a asesorar a Mannix. "Esto es algo que podría haber sido fácilno funcionó, pero Andy tuvo el coraje y la persistencia para hacerlo ".
Una de las características más inusuales del boro consiste en su configuración atómica a nanoescala. Mientras que otros materiales bidimensionales se ven más o menos como planos perfectamente lisos e incluso a nanoescala, el borofeno se ve como cartón corrugado, pandeando hacia arriba y hacia abajo dependiendo de cómolos átomos de boro se unen entre sí, según Mannix.
Las "crestas" de esta estructura tipo cartón dan como resultado un fenómeno material conocido como anisotropía, en el cual las propiedades mecánicas o electrónicas de un material, como su conductividad eléctrica, se vuelven dependientes direccionalmente. "Esta anisotropía extrema es rara en dos:materiales dimensionales y no se ha visto antes en un metal bidimensional ", dijo Mannix.
Según las predicciones teóricas de las características del borofeno, los investigadores también notaron que probablemente tiene una resistencia a la tracción más alta que cualquier otro material conocido. La resistencia a la tracción se refiere a la capacidad de un material para resistir la rotura cuando se separa ".Se sabe que los materiales dimensionales tienen una alta resistencia a la tracción, pero este podría ser el material más fuerte que hayamos encontrado hasta ahora ", dijo Guisinger.
El descubrimiento y la síntesis de borofeno fue ayudado por el trabajo de simulación por computadora dirigido por los investigadores de Stony Brook, Xiang-Feng Zhou y Artem Oganov, quien actualmente está afiliado al Instituto de Física y Tecnología de Moscú y al Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo. Oganov yZhou utilizó métodos de simulación avanzados que mostraron la formación de las arrugas de la superficie corrugada.
"A veces los experimentadores encuentran un material y nos piden que resuelvamos la estructura, y a veces hacemos predicciones primero y el experimento valida lo que encontramos", dijo Oganov. "Los dos van de la mano y en esta colaboración internacionaltuvimos un poco de ambos "
"La conexión que tenemos entre las instituciones nos permite lograr cosas que no podríamos hacer solos", agregó Hersam. "Necesitábamos combinar la microscopía de túnel de barrido con la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión para obtener una visiónde la superficie del material y verificar su espesor a escala atómica y sus propiedades químicas ".
A medida que crecieron la monocapa de borofeno, los investigadores descubrieron otra ventaja dentro de su técnica experimental. A diferencia de los experimentos anteriores que usaron gases altamente tóxicos en la producción de materiales a base de boro a nanoescala, este experimento involucró una técnica no tóxica llamada evaporación por haz de electrones, que esencialmente vaporiza un material fuente y luego condensa una película delgada sobre un sustrato, en este caso, boro sobre plata.
"Cuando hicimos nuestro trabajo teórico, tenía dudas sobre la viabilidad de obtener boro bidimensional porque al boro le gusta formar grupos y plancharlo en dos dimensiones, pensé que sería un desafío", dijo Oganov.resultó que crecer en el sustrato era clave, porque el boro y la plata no reaccionan entre ellos "
El trabajo experimental se realizó en el Centro de Argonne para Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE y en el Centro de Investigación de Materiales de la Universidad Northwestern.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Jared Sagoff. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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